1. Introducción

El uso de mallas metálicas como refuerzo en los materiales de construcción es una técnica bien conocida y definida con el nombre de ferrocemento. Este es un material compuesto que consiste de mortero de cemento con capas de malla de acero simples o múltiples estrechamente espaciadas con o sin soporte de acero esquelético [1], [2], [3]. Este sistema de refuerzo es particularmente interesante en países en vías de desarrollo donde se necesita un sistema de refuerzo asequible basado en espátula [4].

La reparación y rehabilitación de estructuras de concreto existentes se han convertido en unas de las actividades de construcción más importantes a nivel mundial. En este contexto, el uso de mallas de refuerzo es una de las técnicas de reparación rápida, es popular y que ha demostrado ser eficiente en la restauración de las capacidades originales del concreto deteriorado [5], [6], [7], [8].

En el pasado, varios tipos de mallas metálicas han sido utilizadas para el reforzamiento y confinamiento de estructuras de concreto. Ebead [4] realizó un estudio experimental utilizando vigas reforzadas con mallas de metal expandido sometidas a flexión. Kaish et al. [9] realizaron un estudio experimental en elementos cilíndricos de concreto, confinados con ferrocemento, sometidos a compresión axial. En el ferrocemento se utilizaron mallas electrosoldadas. El-Kholy y Dahish [10] estudiaron el efecto del confinamiento de mallas de metal expandido en columnas reforzadas de forma tradicional con estribos de acero. Shan et al. [11] investigaron experimentalmente el efecto de camisas de ferrocemento fabricadas con aros en espiral de acero de alta resistencia sobre la resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto.

El-Kholy et al. [12] llevaron a cabo un estudio experimental sobre la efectividad del confinamiento de mallas de metal expandido en la resistencia a compresión de columnas bajo condiciones normales y sometidas a fuego. Los resultados se compararon a los obtenidos con mallas electrosoldadas. Krishnapriya et al. [13] investigaron el comportamiento de columnas reforzadas con mallas de metal expandido de varios tamaños. Shaaban et al. [14] realizaron un estudio comparativo de la respuesta a flexión de vigas reforzadas con tres tipos de mallas (malla de metal expandido, malla electrosoldada y malla de fibra de vidrio). Tanto las mallas electrosoldadas como las mallas de metal expandido han sido utilizadas como refuerzos en muros de manipostería estructural [15], [16], [17], [18], [19].

El-Sayed et al. investigó el comportamiento de tubos de agua [20] y tanques [21] de ferrocemento reforzados con mallas de metal expandido. Con el objetivo de reducir la huella de carbono en la construcción, fibras de acero y residuos del procesamiento del acero han sido utilizados como agregado y como materia prima del cemento [22], [23], [24].

En este trabajo se lleva a cabo un estudio experimental sobre la resistencia a compresión de cilindros de concreto reforzados con mallas de metal expandido. En el estudio, se analiza el efecto de la orientación de las mallas, así como el uso de plastificantes en el concreto.

2. Estudio experimental

2.1. Preparación de las mallas de metal expandido

En la Figura 1 se muestra la nomenclatura utilizada en las celdas de mallas de metal expandido. Estas celdas se caracterizan por dos ejes, uno mayor L¡ y otro perpendicular a este llamado eje menor L₂. Los otros dos parámetros definen el ancho de la vena w, y el espesor de la misma t.

Figura 1
Representación esquemática de una celda de metal expandido.
Fuente: elaboración propia.

En este trabajo se utilizó una malla comercial EXR 75 HR Cal (2.5) v(4.5) con las siguientes dimensiones L₁= 64.5 mm, L₂= 35.5 mm, w= 4.5 mm y t= 2.5mm. En general las mallas se fabrican con aceros de bajo carbono [25]. De acuerdo a datos suministrados por el fabricante, el material de la malla es un acero AISI/SAE J403 1006 con un límite elástico de 285 MPa y una resistencia máxima a tensión de 330 MPa.

Graciano et al. [26] estudiaron de forma experimental el comportamiento de tubos fabricados con mallas de metal expandido sometidos a compresión axial. Los resultados de este estudio demostraron que la resistencia a compresión aumentaba considerablemente cuando las celdas de metal expandido se orientaban α=60 ° y a=90°, tal como se muestra en la Figura 2.

Figura 2
Orientación de las celdas de metal expandido.
Fuente: elaboración propia.

Con base en los resultados obtenidos por Graciano et al. [26] estas dos orientaciones se utilizarán para reforzar los cilindros de concreto. En primer lugar, las mallas de metal expandido fueron cortadas y enrolladas para obtener la forma cilíndrica y posteriormente fueron soldadas. Las Figuras 3 y 4 muestran las mallas de refuerzo con las celdas orientadas a 60° y 90°, respectivamente.

Figura 3
Mallas de metal expandido con celdas orientadas a 60°.
Fuente: elaboración propia.

Figura 4
Mallas de metal expandido con celdas orientadas a 90°.
Fuente: elaboración propia.

En la Tabla 1 se muestra el peso de las mallas de refuerzo Ws, y las dimensiones longitud L_s y diámetro externo D_s. A pesar de la diferencia en la orientación de las celdas, todas las mallas tienen un peso similar.

Tabla 1

Dimensiones de las mallas de metal expandido

Fuente: elaboración propia.

2.2. Dosificación de la mezcla

Utilizando el Método de Dosificación de mezclas ACI 211.1 [27] se realizó la composición de un concreto para una resistencia f′_c = 28 MPa y un asentamiento de 75mm. Los resultados indican que con los materiales utilizados y el método de dosificación empleado se logra el cumplimiento de los requisitos especificados con una resistencia obtenida de f′_c =36 MPa, un asentamiento de 80 mm y una masa unitaria de 2416 kg/m³. La combinación de agregados obtenida se ajusta perfectamente a la fórmula granulométrica de Fuller Thompson con un 45% de agregados finos y un 55% de agregados gruesos. El contenido en volumen absoluto de la pasta cementante es de 0.384 m³.

En las Figuras 5 y 6 se muestra la representación gráfica de la distribución del tamaño de partícula de los agregados empleados en las mezclas. De acuerdo con Conasfaltos, empresa productora de los materiales empleados en las mezclas de concreto, el agregado fino es una arena gruesa con un módulo de finura constante por su baja absorción y alta trituración. Además, los agregados gruesos son tipo angular que se caracterizan por tener una alta fracturación, homogeneidad, dureza y resistencia a la abrasión, lo que los hace ideales para concretos de alta calidad [28]. Las Figuras 5 y 6 muestran adicionalmente que los agregados seleccionados se encuentran dentro de los límites establecidos por las normas correspondientes. Adicionalmente, en las Tablas 2 y 3 se muestran las propiedades de los agregados finos y gruesos, respectivamente.

Figura 5
Curva granulométrica del agregado fino.
Fuente: elaboración propia.

Figura 6
Curva granulométrica del agregado grueso.
Fuente: elaboración propia.

El cemento usado es de la marca Argos de Uso General (UG), con las propiedades mostradas en la Tabla 4.

Tabla 2

Propiedades del agregado fino

Fuente: elaboración propia.

Tabla 3

Propiedades del agregado grueso

Fuente: elaboración propia.

Tabla 4

Propiedades del cementante Argos UG

Fuente: elaboración propia.

Además, en algunos especímenes se utilizó el aditivo SikaPlast-328, de la empresa Sika que cuenta con las especificaciones presentadas en la Tabla 5.

Tabla 5

Propiedades del aditivo

Fuente: elaboración propia.

La Tabla 6 muestran la dosificación final del concreto utilizado en los ensayos.

Tabla 6

Dosificación final para 1 m³ de mezcla

Fuente: elaboración propia.

Con la dosificación final presentada en la Tabla 6, se obtiene un concreto con las propiedades mostradas en la Tabla 7. Con los materiales utilizados y el método de los volúmenes absolutos propuesto por el ACI 211.1 [27] se logra la composición apropiada del concreto para cumplir las especificaciones propuestas en el estudio.

Tabla 7

Propiedades obtenidas con la dosificación final

Fuente: elaboración propia.

2.3. Preparación de los cilindros reforzados

Las muestras se fabricaron tomando como referencia los moldes estándar utilizados para las pruebas estándar de resistencia a compresión de cilindros de concreto NTC-673 con dimensiones de 300 mm de altura y 150 mm de diámetro. Una vez las mallas fueron medidas y pesadas se colocaron en los moldes para el vaciado del concreto (Figura 7). Inicialmente los moldes de ensayo se limpiaron y aceitaron para posteriormente instalar la malla que luego es cubierta con el concreto completamente.

Figura 7
Elaboración de los cilindros de concreto reforzados con mallas de metal expandido.
Fuente: elaboración propia.

En primer lugar, se elaboraron patrones para cilindros de concreto sin aditivo (SA) y con aditivo (CA). Luego, se elaboraron los cilindros reforzados con mallas de metal expandido con celdas orientadas a 60° y 90°. Para los cilindros con celdas orientadas a 90° se realizaron ensayos con concreto sin (SA) y con aditivo (CA). Para identificar los especímenes se empleó la siguiente nomenclatura, M1-CA60 es la muestra 1 con concreto con aditivo (CA) reforzado con una malla orientada 60°. La Tabla 8 muestra las dimensiones y los resultados de los ensayos de compresión en los cilindros de concreto: Wt es el peso total, Ds el diámetro exterior, 4 es el espesor promedio de la capa de concreto, f'_c resistencia a compresión a los 28 días [30], y ε_u la deformación última.

Tabla 8

Resultados para los cilindros de concreto sin y con refuerzo de mallas de metal expandido

Fuente: elaboración propia.

2.4. Montaje experimental

En el montaje experimental en la máquina universal de ensayos (Figura 8) se empleó una celda de carga de 1000 kN, una galga extensométrica en la dirección longitudinal y otra en la dirección radial, así como medidores de desplazamiento LVDT. Debido a limitaciones de ajuste de la máquina universal de ensayos solo se pudieron medir los datos de carga, tensión y deformación hasta la resistencia máxima a compresión de los cilindros de concreto [29]. Los ensayos de compresión se llevaron a cabo usando la norma ASTM C 39/C 39M-05 [31].

Figura 8
Montaje experimental en la máquina universal de ensayos.
Fuente: elaboración propia.

3. Análisis de resultados

3.1. Probetas patrón sin aditivo y sin malla MSA

Las Figuras 9a y 9b muestran las curvas tensión-deformación longitudinal y transversal para las probetas patrón sin aditivo y sin malla. En estas figuras se muestran las deformaciones longitudinales (en azul) y las deformaciones transversales (en rojo). En los resultados reportados en la Tabla 8, se observa que la resistencia y deformación a compresión para los cilindros M2SA y M3SA fue f’_c=45.3 MPa, (ε_u=2848x10^-6) y f’=45.4 MPa, (ε_u =3009x10 ⁶) respectivamente, las cuales se ajustan bien a los valores obtenidos en otras investigaciones.

Figura 9
Curva tensión-deformación longitudinal y transversal probeta sin aditivo.
Fuente: elaboración propia.

3.2. Probetas patrón con aditivo y sin malla MCA

Para las probetas con aditivo y sin malla de refuerzo se realizaron dos ensayos, cuyos resultados se presentan en la Figuras 10a y 10b. La resistencia y deformación a compresión de los cilindros M2CA y M3CA fue de f’_c=46.2 MPa, (ε_u=1672x10^-6) y f’_c =44.0 MPa, (ε_u =1453x10-⁶) respectivamente. La resistencia promedio es muy similar al caso de los cilindros sin aditivo, sin embargo, las deformaciones son menores en las muestras con aditivo.

Figura 10
Curva tensión-deformación longitudinal y transversal probeta con aditivo.
Fuente: Elaboración propia.

En este caso, las probetas con aditivo tienen una menor capacidad de deformación en promedio (ε_u =1563x10-⁶) en comparación a las probetas sin aditivo (ε_u =2929x10-⁶). Tanto para las probetas sin refuerzo con o sin aditivo, las probetas fallaron a consecuencia de la fractura del concreto en la zona cercana al punto de aplicación de la carga, la cual es típica cuando se utilizan tapas no adherentes de neopreno para distribuir la carga.

3.3. Probetas patrón con aditivo (CA) y con malla orientada a 60° (MCA60)

Las Figuras 11a y 11b muestran las curvas tensión-deformación para las probetas con aditivo y reforzadas con mallas orientadas a 60°. Para la probeta M1CA60 la resistencia máxima a compresión y la deformación fue f’_c’=40.9 MPa (ε_u=2877x10^-6) y para la probeta M3CA60 fue f’_c=41.9 MPa, (ε_u =2531x10^-6). Sin embargo, si se analiza la deformación de estas muestras, respecto al patrón sin malla, se obtiene una mayor deformación a resistencia pico con un incremento del 72%. La falla del cilindro ocurre por fractura del concreto en la zona cercana al punto de aplicación de la carga. Esto se debe principalmente al pandeo fuera del plano de las venas de la malla de metal expandido, las cuales debido a su esbeltez fallan por compresión axial.

Figura 11
Curva tensión-deformación longitudinal y transversal probeta con aditivo.
Fuente: elaboración propia.

3.4. Probetas patrón sin aditivo (SA) y con malla o rientada a 90° (MSA90)

Las Figuras 12a a 12c muestran respectivamente los resultados para las probetas M1SA90, M2SA90 y M3SA90. Estas probetas no tienen aditivos y están reforzadas con mallas orientadas a 90°. La resistencia máxima a compresión disminuye ligeramente a un valor promedio de f’_c =38.6 MPa con una deformación promedio de ε_u =1727x10⁶. En este caso la falla ocurre por fractura del concreto en la parte media del cilindro de concreto debido a pandeo global del cilindro de malla de refuerzo.

Figura 12
Curva tensión-deformación longitudinal y transversal probeta sin aditivo.
Fuente: elaboración propia.

3.5. Probetas patrón con aditivo (CA) y con malla orientada a 90° (MCA90)

En las Figuras 13a a 13c se presentan los para los cilindros con aditivo y reforzadas con mallas orientadas a 90°. Las resistencias máximas a compresión para las probetas M1CA90, M2CA90 y M3CA90 son 39.5 MPa, 36.0 MPa, y 36.3 MPa. El valor promedio para estos cilindros es f’_c =37.3 MPa, con una deformación promedio ε_u =1754x10 ⁶.

Figura 13
Curva tensión-deformación longitudinal y transversal probeta con aditivo.
Fuente: elaboración propia.

El efecto más importante en la muestra con aditivo y malla orientada a 90° es el de aumentar la deformación a resistencia máxima en un 43%.

4. Modos de falla resultantes para los cilindros reforzados

La Figura 14 muestra la falla característica de los cilindros reforzados con mallas a 60° y 90°. En estas figuras se observa claramente que las venas de las celdas de metal expandido han pandeado fuera del plano ocasionando la fractura del concreto debido al delgado espesor del recubrimiento del material.

Figura 14
Falla típica de los cilindros de concreto reforzados con mallas de metal expandido.
Fuente: elaboración propia.

5. Conclusiones

En este trabajo se llevó a cabo un estudio experimental sobre la resistencia a compresión de cilindros de concreto embebidos con mallas de metal expandido. Tanto la orientación de la malla como el uso de aditivo en la mezcla de concreto se tomaron en cuenta en el estudio.

A partir de los resultados se pudo observar que las mallas de metal expandido fueron incapaces de aumentar la resistencia del concreto debido a la esbeltez de las venas de las celdas, la cual es alta ocasionado pandeo fuera del plano y en consecuencia la fractura del concreto en zonas localizadas a lo largo de los cilindros. Sin embargo, se notó muy bien en los resultados un incremento en las deformaciones a resistencia pico lo que indica mayor disipación de energía del concreto en su rango inelástico

Para futuras investigaciones se recomienda la utilización de otras orientaciones que puedan de manera efectiva contribuir al confinamiento del concreto.

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Notes

Author notes

^aogiraldo@unal.edu.co^blualarava@unal.edu.co^ccagracianog@unal.edu.co

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